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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM Motorsteuerung für Autorennbahn


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Autor: markus m. (markus_m69)
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Hallo,
erstmal danke für die tolle Seite und das Forum. Ich habe schon einiges 
hier gelernt.

Ich habe mit einem IOIO for Android Controller (falls es jemand 
interessiert https://github.com/ytai/ioio/wiki) einige Zusatzfunktionen 
für eine alte analoge Carrera-Servo Rennbahn gebastelt (Rundenzähler, 
Startampel, Gasanzeige).

Als nächstes würde ich gerne eine Art schaltbare Turbofunktion basteln. 
Dazu habe ich mir vorgestellt dass ich mit dem IOIO ein PWM Signal 
erzeuge, damit einen MOSFET beschicke (wie im Artikel "Motoransteuerung 
mit PWM" als 1-Quadrantensteller beschrieben 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM) und 
dann den Fahrzeugen für eine kurze einen grösseren duty-Cycle zur 
Verfügung stelle.

Der IOIO hat PWM Out Pins mit 3,3V (falls erforderlich gingen auch 5V 
mit pull-up Widerständen).

Nun zu meinen Fragen:
- Verstehe ich das richtig, dass die in der Übersicht angegebene 
threshhold Spannung jene Spannung ist bei der der MOSFET zu schalten 
beginnt? Wenn dem so ist kann ich also nicht "einfach" einen MOSFET 
nehmen dessen UGS(th) <3,3 ist oder? Wie finde ich dann einen MOSFET der 
bei 3,3V voll durchschaltet?
In einigen Beiträgen hier wurde der IRLZ34N als MOSFET empfohlen. Würde 
der für mein Beispiel passen doer sollte ich besser einen MOSFET mit 
möglichst kleiner UGS(th) nehmen z.b. IRL3803?

- ad Schutzdiode: Wenn ich's richtig verstanden haben sollte als 
"Schutzdiode" bei induktiven Lasten eine Schottky-Diode verwendet 
werden. Jetzt stehe ich aber vor der Qual der Wahl :-) oder :-(. An was 
orientiere ich mich dabei an der Spannung / Stromstärke des Netzteils 
der Bahn oder an bestimmten Werten des MOSFET's? Könnt ihr mir eine 
Diode empfehlen mit der ich halbwegs richtig liegen würde?

Vielen Dank für euer Feedback,
Markus

Autor: Dietmar (Gast)
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Mit einer PWM würde ich nicht auf die Bahn gehen. Die geschlossenen Bahn 
ist doch eine super Antenne.

Schau mal hier: http://www.ghairacer.de/Hardware/tanknetzteil.html

Dort gehen die mit einem analogen Ausgang auf die Referenz von einen 
LM350 Spannungsregler. Damit gleichst du auch Schwankungen der 
Versorgungsspannung aus.

Autor: MaWin (Gast)
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> Verstehe ich das richtig, dass die in der Übersicht angegebene
> threshhold Spannung jene Spannung ist bei der der MOSFET zu schalten
> beginnt?

Es ist die Spannung, unter der der MOSFET sicher aus ist.

> Wie finde ich dann einen MOSFET der bei 3,3V voll durchschaltet?

In dem du bei der Suche nach RDSon bei 2.7V oder 2.5V suchst:

http://ec.irf.com/v6/en/US/adirect/ir?cmd=eneNavigation&N=0+4294841672&Ns=rds_on__max_2_7v__mohms__5%7C0

Autor: markus m. (markus_m69)
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Dietmar schrieb:
> Mit einer PWM würde ich nicht auf die Bahn gehen. Die geschlossenen Bahn
> ist doch eine super Antenne.
>
> Schau mal hier: http://www.ghairacer.de/Hardware/tanknetzteil.html
>
> Dort gehen die mit einem analogen Ausgang auf die Referenz von einen
> LM350 Spannungsregler. Damit gleichst du auch Schwankungen der
> Versorgungsspannung aus.

Hallo,
Danke erstmal für den Link. Da werden ja ganz coole Sachen gebaut. Ich 
fürchte nur leider, dass mich meine bescheidenen elektronik-kenntnisse 
daran hindern werden so was auf die beine zu stellen. Spannungsregler 
war zum beispiel noch kein Begriff... Ich habe mal ein bischen gegoogled 
und gelesen verstehe aber noch nicht ganz wie ich so ein Ding mit meinem 
IOIO steuern kann (der hat keinen analogen Ausgang sondern nur PWM).
Wenn ich's richtig verstanden habe "steuert" man den Regler in dem man 
einen Spannungsteiler mit einem fixen "Referenzwiderstand" und einem 
variablen Widerstand aufbaut. Nur wo kommt hier der Controller ins Spiel 
- vor allem ohne analogen Output?

Wie würde sich denn der Antennen-Effekt in der Praxis bemerkbar machen?

lg,
Markus

Autor: Martin V. (oldmax)
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Hi
Ich denke, das PWM für eine Autorennbahn für einen Elektroniklaien nicht 
die geeignete Wahl ist. Das Problem ist die Bremsenergie. Die kleinen 
Motörchen können auch Generatoren sein, wenn du zum Beispiel vor einer 
Kurve den Regler losläßt. Ein Reglerpoti schließt dabei die 
Stromversorgung zur Bahn kurz, was eine Bremswirkung auf den Motor zur 
folge hat. Damit ist dein Rennwagen auch ganz schnell auf Tempo 0. 
Würdest du einfach nur die Spannung wegschalten wäre vermutlich jede 
Kurve eine Herausforderung. Also mußt du eine Brücke bauen, die eine 
generatorische Spannung kurzschließt. Mit begrenzten Kenntnissen in der 
Elektronik wird's da etwas schwierig. Ich weiß, das namhafte Hersteller 
elektronische Regler anbieten und würde von einem Selbstbau in deinem 
Fall abraten. Aber, du brauchst deswegen nicht auf deinen Einstieg in 
die Controllerwelt verzichten. Vielleicht gedenkst du irgendwann einmal 
mit einem Controller Zeiten zu messen oder Runden zu zählen. Die 
Ergebnisse dann im PC weiter zu verarbeiten etc. Da ist dann der 
Controller eine preiswerte Lösung.
Gruß oldmax

Autor: markus m. (markus_m69)
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Hallo,
Rundenzähler, Zeitnehmung und Startampel habe ich schon voller Stolz in 
Betrieb genommen :-) Geht mit dem ioio sogar vom Handy aus!

Jetzt bin ich halt auf der Suche nach einer neuen Herausforderung:-)
Vielleicht habe ich's aber auch zu kompliziert angelegt. Was ich 
eigentlich machen möchte ist folgendes:
Ich will die Autos nicht wirklich "elektronisch" steuern, ich möchte 
lediglich die Möglichkeit haben zu bestimmten zeitpunkten einem der 
beiden Autos mehr Spannung zur Verfügung zu stellen. Eher wie eine Art 
elektronisch regelbares Netzteil. Die eigentliche Steuerung der Bahn 
soll wie gehabt weiterlaufen.
Damit möchte ich zum Beispiel dem Auto welches weiter hinten liegt auf 
der Geraden mehr Saft bereitstellen, damit das Rennen ausgeglichen 
bleibt und es leichtere und mehr Überholmanöver gibt (eine Art DRS wie 
in der Formel1).
Bei PWM und der Motorsteuerung bin ich dann beim herumsuchen gelandet. 
Ich dachte ich lasse die Autos immer auf z.b. 80% duty cycle laufen und 
der zurückliegende Wagen kann pro Runde 2 Sekunden lang 100% abrufen.

Könnte man so etwas ganz anders / einfacher realisieren ohne in die 
eigentliche Steuerung der Bahn einzugreifen.

lG,
Markus

Autor: Meercat (Gast)
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PWM ist wie gesagt keine so gute Idee, aber du könntest einen Tiefpass 
dahinter hängen und den Strom mit einem Darlington verstärken.

Autor: Dietmar (Gast)
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markus m. schrieb:
> Wie würde sich denn der Antennen-Effekt in der Praxis bemerkbar machen?

Eine PWM erzeugt nicht nur Signale in ihrer Grundfrequenz, sondern, 
bedingt durch die steilen Flanken, auch Signale die deutlich höhere 
Frequenzen enthalten. Fakor 15 ist da nicht abwegig. Die Signale können 
dann als Störungen über deine Rennbahn "gesendet" werden.

Über welche Bahn reden wir denn hie eigentlich? Wie sind die Regler 
aufgebaut? Einfach nur Drahtpotis?

Geb mal ein paar Infos raus. Vieleicht gibt es ja noch alternativen zur 
PWM.

Autor: markus m. (markus_m69)
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Hallo,
die Bahn ist ein alte Carrera Servo - das ist das System bei dem die 
Autos die Spur wechseln konnten. Die Regler bestehen aus einem 
Schiebepotentiometer mit maxímal 35 Ohm 
(http://www.servospeedway.de/Basteleien/Servo-Regler/servo-regler.html)
Am Regler ist ein "Lenkrad" angebracht, mit dem man die Bahn umpolen 
kann. In den Autos ist ein Getriebe das dafür sorgt dass das Fahrzeug 
unabhängig von der Motordrehrichtung immer nach vorne fährt. Zusätzlich 
zum Vortrieb an der Hinterachse lenkt der Motor auch je nach 
Drehrichtung die Vorderachse nach links oder rechts - sprich die 
Fahrzeuge fahren immer auf der einen oder anderen Seite der Bande 
entlang.

Der Trafo ist in 3 Stufen regelbar am Trafo steht 8 - 10 - 12 Volt wobei 
ich deutlich mehr gemessen habe (bis ca. 18 Volt) evtl spinnt aber auch 
mein Multimeter.

An der Stromschiene gibts an zusätzlicher "Elektronik" noch einen 
Kondensator und einen Widerstand je Spur - ich weiss nicht genau warum 
ich rate mal dass das irgendwas mit der induktiven Last zu tun hat.

Na ja bezgl. Alternativen: Ich brauche ja eigentlich keine wirkliche 
Motorsteuerung sondern eher eine Art diskret regelbare Stromversorgung. 
Bildlich gesprochen würde ich gerne meinen Mikrocontroller in die Lage 
versetzten den Trafo für eine Sekunde von 10 auf 12 Volt umzuschalten 
und dann wieder zurück. Je feingranularer so was machbar ist desto 
besser (siehe die Features des Ghairacer weiter oben mit Benzinverbrauch 
etc...).

Ich bin beim herumstöbern hier auf der Seite auch noch auf DA Wandler 
gestossen (http://www.mikrocontroller.net/articles/DA-Wandler):

Könnte man den Output eines Widerstandsnetz DA Wandlers mit so einem 
Spannungsregler / Verstärker Baustein kombinieren?
lg
Markus

Autor: Dietmar (Gast)
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In dem Fall ist die einfachste Lösung ein Relais mit Wechsler. Dann 
lässt du deinen uC einfach das Relais schalten. Somit kannst du nun 
zwischen dem 10V und 12V Ausgang von deinem Trafo wählen, oder auch 8 
und 12.

Alternativ nimmst du den Ausgang von deinem DA-Wandler und gehst damit 
auf den AIN1 von der Ghairacer-Schaltung, unter der Vorraussetzung das 
dein AD-Wandler 0-5V rausgibt.

Autor: markus m. (markus_m69)
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Hallo,
okay das war etwas missverständlich formuliert von mir. Das Netzteil hat 
nur einen Ausgang den man mit einem Schieber umschalten kann. Aber ich 
könnte natürlich einfach 2 Netzteile verwenden eines auf Spannung A und 
das zweite auf Spannung B und dann könnte ich mit 2 Relais jede Bahn 
individuell zwischen den beiden Netzteilen / Spannungen hin und 
herschalten. Gibts Relais die ich direkt an den Controller hängen kann 
oder brauche ich dafür irgendwelche Treiberschaltungen?

Bezgl. DA Wandler: In dem DA-Wandler Artikel hier auf der Seite steht 
bezogen auf einen R2R Wandler, dass man entweder eine kosntante Last 
braucht (hier nicht der Fall) oder einen Operationsverstärker welcher 
die Last vom Wandler entkoppelt. Ist das bei der Ghai-Racer Schaltung 
der Fall sprich könnte ich die direkt an so einen R2R Wandler anhängen 
und wenn ja welchen Wert setze ich dann als Lastwiderstand in die 
Gleichung ein?

Eine zweite (Anfänger-)Frage noch zu der Schaltung: Welchen Zweck 
erfüllt der Operationsverstärker vor dem Spannungsregler?

Danke & lG,
Markus

Autor: PWM Kaffekochmaschine (Gast)
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und wieder ein PWM Künstler.

Ich denke Andreas sollte noch eine PWM Sparte aufmachen :-)
Dann bleiben die "PWM macht alles Träumer" unter sich, die glauben jede
Hardware programmieren zu können aber die Funktion der Hardware oder 
Bauteile wie MOSFET´s nicht verstehen.  Hauptsache Android, Raspberry 
und Co.

Autor: Carsten R. (kaffeetante)
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Dietmar schrieb:
> Mit einer PWM würde ich nicht auf die Bahn gehen. Die geschlossenen Bahn
> ist doch eine super Antenne.

Ist das wirklich eine geschlossene Bahn (Masseschleife)?

Störungen hin oder her, bei einem kleinen gewöhnlichen DC-Bürstenmotor, 
wie er in solchen Spielzeugen üblich ist, handelt es sich auch nicht 
gerade um einen ohmschen Verbraucher.

Die laufende Kommutierung unterbricht auch ständig den Strom durch eine 
der Spulen um auf eine Andere umzuschalten und kurz darauf die 
erstgenannte Spule umgekehrt gepolt auf die Leitung zu legen. Das heißt 
der Spulenstrom wird da auch Augenblicklich auf Null gezwungen, was zu 
Funken (Bürstenfeuer) führt und über eien kleinen Kondensator entstört 
wird.

Wenn die geschlossene Bahn zu Problemem führt, wäre dies ein generelles 
Problem, welches nicht erst durch PWM auftritt, auch wenn es dadurch 
eventuell verschlimmert werden könnte.

Sollte die Bahn eine geschlossene Leitung sein, könnte man sie an einer 
Stelle unterbrechen, was zugegeben gegen Ende der Bahn den 
Leitungswiderstand erhöht bis man "in die nächste Runde" kommt. Damit 
hätte man keine zwei kreisbahnen als Antennen sondern zwei fast 
geschlossene "Sicheln" die eine ganz kurze Unterbrechung pro Runde 
bedeuten. Ferner könnte man die Zuleitung unterwegs mit Kondensatoren 
und eventuelll Widerständen entstören.

EMV-Technisch ist dies für einen Laien natürlich nicht so leicht zu 
validieren, aber, da die Kommutierung nicht erst erfolgt nachdem die 
Spule "bremsend" in das "nächste" Magnetfeld gedreht wird, und der Strom 
in diesem Augenblick also nicht stark reduziert ist, kann ich mir kaum 
vorstellen, daß eine PWM wesentlich stärkere Störungen verursacht als 
die Kommutierung. Natürlich wird beim Kommutieren nur die halbe 
Induktivität (Sternschaltung) umgepolt, aber auch das ist ein 
überschaubarer/begrenzter Faktor.

Wo ich mir nur nicht sicher bin, vielleicht habe ich es auch falsch 
verstanden, wo genau die PWM in den Stromkreis eingreifen sollte. Sollte 
das in der Versorgung der Stromschienen oder in Motornähe, also in den 
Fahrzeugen geschehen? Bislang fasse ich es so auf, daß Letzteres der 
Fall ist. In diesem Fall sehe ich die Möglichkeit der Entstörung 
inerhalb der Fahrzeuge zuzüglich der Möglichkeit die Stromschienen wie 
Eingangs beschrieben mit Widerständen und Kondensatoren zu entstören.

Autor: markus m. (markus_m69)
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Carsten R. schrieb:
> Dietmar schrieb:
>> Mit einer PWM würde ich nicht auf die Bahn gehen. Die geschlossenen Bahn
>> ist doch eine super Antenne.
>
> Ist das wirklich eine geschlossene Bahn (Masseschleife)?
>

Hallo,
ich hoffe ich verstehe deine Frage richtig aber ja die Bahn besteht aus 
zwei in sich geschlossenen Leiterkreisen ohne irgendeiner Trennung. In 
der Schiene die mit dem Trafo verbunden wird, sind Kondensatoren und 
Widerstände verbaut (Entstörung?).

>
> Wo ich mir nur nicht sicher bin, vielleicht habe ich es auch falsch
> verstanden, wo genau die PWM in den Stromkreis eingreifen sollte. Sollte
> das in der Versorgung der Stromschienen oder in Motornähe, also in den
> Fahrzeugen geschehen? Bislang fasse ich es so auf, daß Letzteres der
> Fall ist. In diesem Fall sehe ich die Möglichkeit der Entstörung
> inerhalb der Fahrzeuge zuzüglich der Möglichkeit die Stromschienen wie
> Eingangs beschrieben mit Widerständen und Kondensatoren zu entstören.

Nein eigentlich hatte ich gedacht mit der PWM in die Versorgung der 
Stromschiene einzugreifen.

Netzteil => PWM => Handregler (Schiebepoti) => Bahn => Motor

Autor: Carsten R. (kaffeetante)
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markus m. schrieb:
> Hallo,
> ich hoffe ich verstehe deine Frage richtig aber ja die Bahn besteht aus
> zwei in sich geschlossenen Leiterkreisen ohne irgendeiner Trennung.

Ja so meine ich das. Ein echt geschlossener Kreis. Wenn man den an einer 
Stelle auch nur hauchdünn unterbricht, so fahren die Wagen immer noch 
weil der Strom dann noch "von der anderen Seite" kommen kann, aber man 
hat keine elekrische Schleife, bzw sie besteht dann aus den eng 
nebeneinander liegenden Hin- und Rückleitungen, welche die nur eine 
kleine Fläche zwischen den Leitern umschließen und nicht die ganze 
Rennbahn.

markus m. schrieb:
> Nein eigentlich hatte ich gedacht mit der PWM in die Versorgung der
> Stromschiene einzugreifen.

Dann kann man natürlich nicht so ohne weiteres beliebig Kondensatoren an 
die Stromschienen machen wenn man PWM einsetzt.

Spannungsquelle--->PWM--->Kondensator---> Verbraucher

Das ergibt nicht wirklich eine sinnvolle Regelung. Je niedriger der 
Quellwiderstand ist um so näher rückt bei großer Kondensatorkapazität 
die Spannung nach der PWM an die Maximalspannung und man schaltet 
eigentlich nur den Strom ein und aus, welcher dann zwischen 0 und 
Maximum pendelt. Das Maximum wird dann immer höher, je kleiner der 
PWM-Wert liegt. Das ist nicht im Sinne des Erfinders. Was das Ganze dann 
noch erträglich machen würde wäre die Induktivität der Quelle, wenn es 
wirklich ein echter Trafo ist. Dummerweise treibt dann auch genau diese 
Induktivität dann die Spannung vor der Transe, welche die PWM schaltet, 
hoch. Dies muß man dann je nach Abbau abfangen, beispielsweise mit einer 
Freilaufdiode wenn die PWM Lowside, also die Masse, schaltet.

Autor: markus m. (markus_m69)
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Hallo,
okay dann werde ich mich wohl als erstes einmal an der Variante mit dem 
Umschaltrelais versuchen.

Wenn ich danach noch Bastelbedarf habe kann ich mich ja noch an die 
Ghairacer Schaltung wagen :-)

Vielen Dank für Eure Beiträge!
lg
Markus

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